Повітряна турбіна та спосіб її виготовлення

1 Воздушная турбина, содержащая несколько лопастей, расположенных между двумя фланцами, отличающаяся тем, что эта воздушная турбина выполнена из термоконструкционного композиционного материала и содержит втулку, образованную плоскими кольцевыми пластинами из упомянутого термоконструкционного композиционного материала, уложенными в пакет по одной и той же оси, обездвиженные друг относительно друга по вращательному движению относительно упомянутой оси турбины и образующие в совокупности втулку данной воздушной турбины, а также лопасти, изготовленные из тер мо конструкций иного композиционного материала и индивидуально соединенные с упомянутой втулкой при помощи части, образующей основание данной лопасти 2 Воздушная турбина по п 1, отличающаяся тем, что упомянутые плоские кольцевые пластины, изготовленные из терм о конструкционно го композиционного материала, образуют совокупность, содержащую втулку и первый фланец, закрывающий проходы между лопастями на одном из концов данной воздушной турбины 3 Воздушная турбина по одному из пунктов 1 или 2, отличающаяся тем, что упомянутый второй фланец, который формирует вместе со втулкой кольцевую зону входа газообразной среды, в упомянутые проходы между лопастями, неподвижно закреплен на упомянутых лопастях 4 Воздушная турбина по любому из пунктов 1 или 2, отличающаяся тем, что упомянутый второй фланец, который образует вместе с упомянутой втулкой данной воздушной турбины кольцевую зону входа газообразной среды в упомянутые проходы между лопастями, представляет собой статический или неподвижный элемент 5 Способ изготовления воздушной турбины, заключающийся в том, что несколько лопастей устанавливают между двумя фланцами, отличаю щийся тем, что упомянутые лопасти устанавливают вокруг втулки, при этом втулка, лопасти и фланцы изготавливают из термоконструкционного композиционного материала, втулку изготавливают путем укладки друг на друга в пакет по одной и той же оси турбины плоских кольцевых пластин, изготовленных из термоконструкционного композиционного материала, и последующего их обездвиживания друг относительно друга по вращательному движению вокруг оси турбины, индивидуально изготавливают каждую лопасть, при этом изготавливают предварительно отформованную заготовку лопасти, путем формования двумерной волокнистой структуры в виде пластин или листов, уплотняют ее при помощи матрицы данного композиционного материала для получения черновой заготовки лопасти и механически обрабатывают ее контур для получения лопасти, изготавливают каждый из упомянутых фланцев при этом из пластины или листа двумерной волокнистой структуры изготавливают кольцевую предварительно отформованную заготовку и производят ее уплотнение матрицей данного композиционного материала, каждую лопасть данной воздушной турбины соединяют со втулкой при помощи части, образующей основание данной лопасти 6 Способ по п 5, отличающийся тем, что присоединение каждой лопасти ко втулке данной воздушной турбины осуществляют посредством установки основания этой лопасти в канавку, форма которой соответствует форме основания, выполненную в упомянутой втулке 7 Способ по любому из пунктов 5 или 6, отличающийся тем, что упомянутую предварительно отформованную заготовку каждой лопасти изготавливают путем формования предварительно пропитанной предшественником матрицы волокнистой структуры 8 Способ по любому из пунктов 5-7, отличающийся тем, что основание каждой лопасти формируют путем размещения вставки в щели, выполненной в волокнистой структуре, используемой для реализации предварительно отформованной заготовки данной лопасти 9 Способ по любому из пунктов 5-8, отличающийся тем, что осуществляют соединение пластин, образующих втулку данной воздушной турбины, с, по меньшей мере, одной кольцевой пластиной, образующей первый фланец, закрывающий проходы между лопастями с того конца дан СМ О ю со о оо см 28035 ной воздушной турбины, к которому упомянутые лопасти присоединяются в результате сжатия в осевом направлении на приводном валу, на который монтируется данная воздушная турбина 10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что упомянутый второй фланец, который образует вместе су втулкой кольцевую зону входа газовой среды в данную воздушную турбину для всасывания через проходы, сформированные между лопастями, устанавливают на этих лопастях. 11. Способ по п 10, отличающийся тем, что используют упомянутый второй фланец, имеющий вырезы, в которые вставляют буртики, выполненные на примыкающих кромках лопастей 12. Способ по одному из пунктов 10 или 11, отличающийся тем, что упомянутый второй фланец приклеивают к примыкающим кромкам лопастей. Предлагаемое изобретение относится к воздушным турбинам или воздуходувкам и, в частности, воздушным турбинам, предназначенным для работы в условиях очень высоких температур, обычно превышающих 1000°С В качестве областей применения таких воздушных турбин можно назвать обеспечение перемешивания или барботирования газов, а также вентиляцию в технологических печах или подобных им установках, используемых для осуществления операций физико-химической обработки при высоких температурах. В рассматриваемых случаях окружающая среда в этих установках может быть образована, например, нейтральными или инертными газами. Известна турбина и способ ее изготовления (SU, авторское свидетельство 1147538 А, кл. В23К 20/24, 1985 г) заключающийся втом, что несколько лопастей устанавливают между двумя фланцами. Обычно воздушные турбины изготавливаются из металла и собираются при помощи сварных соединений из множества различных элементов. Использование металла для изготовления воздушных турбин влечет за собой ряд недостатков Значительная масса вращающихся частей турбины требует применения достаточно массивных приводных валов и весьма мощных приводных двигателей, а также ограничивает допустимую скорость вращения К этому можно добавить ограничения по допустимой температуре применения воздушных турбин вследствие опасности появления текучести металла Чувствительность металла к резким перепадам температур или тепловым ударам может стать причиной образования трещин или нежелательной деформации конструкции воздушной турбины, следствием чего может быть разбалансировка вращающихся масс, как правило, приводящая к сокращению срока службы воздушных турбин и их приводных двигателей. В упомянутых выше областях применения как раз возможны значительные тепловые удары, в частности в случае подачи больших масс холодного воздуха для быстрого снижения температуры атмосферы в печи с целью сокращения общей длительности технологического цикла обработки. выполнена из термоконструкционного композиционного материала и содержит втулку, образованную плоскими кольцевыми пластинами из упомянутого термоконструкционного композиционного материала, уложенными в пакет по одной и той же оси, обездвиженные друг относительно друга по вращательному движению относительно упомянутой оси турбины и образующие в совокупности втулку данной воздушной турбины, а также лопасти, изготовленные из термоконструкционного композиционного материала и индивидуально соединенные с упомянутой втулкой при помощи части, образующей основание данной лопасти. Кроме того, решению поставленных задач способствует и то, что упомянутые плоские кольцевые пластины, изготовленные из термоконструкционного композиционного материала, образуют совокупность, содержащую втулку и первый фланец, закрывающий проходы между лопастями на одном из концов данной воздушной турбины, а упомянутый второй фланец, который формирует вместе с втулкой кольцевую зону входа газообразной среды, в упомянутые проходы между лопастями, неподвижно закреплен на упомянутых лопастях. Кроме того, в соответствии с изобретением, упомянутый второй фланец, который образует вместе с упомянутой втулкой данной воздушной турбины кольцевую зону входа газообразной среды в упомянутые проходы между лопастями, представляет собой статический или неподвижный элемент На решение поставленных задач направлен и способ изготовления воздушной турбины, заключающийся в том, что несколько лопастей устанавливают между двумя фланцами и, в соответствии с изобретением, упомянутые лопасти устанавливают вокруг втулки, при этом втулка лопасти и фланцы изготавливают из термоконструкционного композиционного материала, втулку изготавливают путем укладки друг на друга в пакет по одной и той же оси турбины плоских кольцевых пластин, изготовленных из терм о конструкций иного композиционного материала, и последующего их обездвиживания друг относительно друга по вращательному движению вокруг оси турбины, индивидуально изготавливают каждую лопасть, при этом изготавливают предварительно отформованную заготовку лопасти, путем формования двумерной волокнистой структуры в виде пластин или листов, уплотняют ее при помощи матрицы данного композиционного материала для получения черновой заготовки лопасти и механически обрабатывают ее контур для получения лопасти, изготавливают каждый из упомянутых фланцев, при этом из пла Итак, задача данного изобретения состоит в увеличении температурного диапазона окружающей среды при работе турбины и разработке способа изготовления турбин, диаметр которых значительно превышает 1 м Поставленные задачи решаются предлагаемым изобретением в соответствии с которым воздушная турбина, содержащая несколько лопастей, расположенных между двумя фланцами, в соответствии с изобретением, эта воздушная турбина 28035 стины или листз двумерной волокнистой структуры изготавливают кольцевую предварительно отформованную заготовку и производят ее уплотнение матрицей данного композиционного материала, каждую лопасть данной воздушной турбины соединяют с втулкой при помощи части, образующей основание данной лопасти Кроме того, изобретение предусматривает ряд дополнительных усовершенствований способа, которые заключаются в том, что присоединение каждой лопасти к втулке данной воздушной турбины осуществляют посредством установки основания этой лопасти в канавку, форма которой соответствует форме основания выполненную в упомянутой втулке, также предусмотрено, что упомянутую предварительно отформованную заготовку каждой лопасти изготавливают путем формования предварительно пропитанной предшественником матрицы волокнистой структуры В соответствии со способом, основание каждой лопасти формируют путем размещения вставки в щели, выполненной в волокнистой структуре используемой для реализации предварительно отформованной заготовки данной лопасти, и осуществляют соединение пластин, образующих втулку данной воздушной турбины, с, по меньшей мере, одной кольцевой пластиной, образующей первый фланец, закрывающий проходы между лопастями с того конца данной воздушной турбины, к которому упомянутые лопасти присоединяются в результате сжатия в осевом направлении на приводном валу, на который монтируется данная воздушная турбина, а упомянутый второй фланец, который образует вместе с втулкой кольцевую зону входа газовой среды в данную воздушную турбину для всасывания через проходы, сформированные между лопастями, устанавливают на этих лопастях, причем упомянутый второй фланец, имеющий вырезы, в которые вставляют буртики, выполненные на примыкающих кромках лопастей используют, кроме того, упомянутый второй фланец приклеивают к примыкающим кромкам лопастей Таким образом, по меньшей мере, для основных своих частей данная воздушная турбина практически реализуется путем соединения деталей, каждая из которых имеет весьма простую форму, например, это плоские кольцевые пластины, образующие втулку, или детали, изготовленные из предварительно отформованных заготовок, имеющих простую форму (например, форму пластины или двумерного листа), например, лопасти или фланцы Так удается преодолеть трудности, встречающиеся при изготовлении и уплотнении предварительно отформованных заготовок, имеющих сложные геометрические формы, или избежать значительных потерь материала, неизбежных при механической обработке деталей сложной формы, изготавливаемых из массивных блоков термоконструкционного композиционного материала Соединение каждой лопасти данной воздушной турбины со втулкой может быть осуществлено путем вставления основания упомянутой лопасти в канавку или паз соответствующей формы выполненный в этой втулке В соответствии с одной из особенностей предлагаемого способа реализа ции воздушной турбины основание лопасти формируется путем введения вставки в щель выполненную в волокнистой структуре, используемой для получения предварительно отформованной заготовки данной лопасти В соответствии с другой особенностью предлагаемого решения сборка образующих втулку пластин производится с, по меньшей мере, одной кольцевой пластиной, образующей первый фланец, закрывающий проходы между лопастями с одного конца данной воздушной турбины, путем осевого сжатия на приводном валу на котором монтируется данная воздушная турбина Второй фланец, который образует вместе со втулкой кольцевую входную зону для газовой среды, позволяющую обеспечить всасывание этой среды через проходы между лопастями, установлен на упомянутых лопастях, например, путем введения в вырезы этого фланца выступов, выполненных на примыкающих к нему кромках лопастей и/или с помощью приклеивания В качестве возможного варианта реализации этот второй фланец может быть статическим Технический результат достигается за счет использования других материалов, в частности термоконструкционных композиционных материалов Эти материалы обычно представляют собой некоторую подкрепляющую конструкцию волокнистой структуры или предварительно отформованную заготовку, которая упрочняется при помощи некоторой матрицы Такие композиционные материалы отличаются высокими механическими характеристиками и способностью сохранять эти характеристики при достаточно высоких температурах, что делает эти материалы пригодными для создания конструктивных элементов, работающих а достаточно жестких термических условиях Типичными примерами таких термоконструкционных композиционных материалов могут служить так называемые углерод-углеродные композиционные материалы (С-С), образованные подкрепляющей структурой из углеродных волокон и углеродной же матрицей, а также композиционные материалы с керамической матрицей (CMC), образованные подкрепляющей структурой из углеродных или керамических волокон и керамической матрицей По сравнению с металлами термоконструкционные композиционные материалы обладают существенными преимуществами, в частности значительно меньшей плотностью и хорошей устойчивостью к воздействию высоких температур Снижение массы воздушной турбины упомянутого выше типа в случае ее изготовления из таких композиционных материалов и исключение опасности появления текучести этого материала позволяют повысить допустимые скорости вращения турбины и тем самым существенно увеличить вентиляционную производительность этой турбины при тех же параметрах приводных органов Термоконструкционные композиционные материалы обладают весьма высокой устойчивостью к тепловым ударам Таким образом, термоконструкционные композиционные материалы характеризуются значительными преимуществами перед металлом в плане конструкционных характеристик, однако широкое использование этих материалов сдержи 28035 вается их довольно высокой стоимостью Кроме относительной дороговизны исходного сырья, используемого для производства композиционных материалов, основная часть упомянутой высокой стоимости этих материалов обусловлена технологическими трудностями изготовления волоконных предварительно отформованных заготовок, особенно в тех случаях, когда подлежащие изготовлению из данного композиционного материала детали имеют сложную форму, что как раз и характерно для упомянутых воздушных турбин, а также большой длительностью технологического цикла формования, уплотнения и отверждения деталей из композиционных материалов Другие особенности и преимущества предлагаемого изобретения будут более подробно представлены в приведенном ниже описании и в не являющемся ограничительном примере его практической реализации, где даются ссылки на приведенные в приложении фигуры, среди которых - Фиг 1 представляет собой схематический перспективный вид с частичным вырывом, показывающий воздушную турбину в соответствии с предлагаемым изобретением, собранную из отдельных деталей и смонтированную на приводном валу, - Фиг 2 представляет собой схематический вид в частичном разрезе, показывающий воздушную турбину, представленную в целом на фигуре 1, - Фиг 3 представляет собой упрощенный схематический вид лопасти воздушной турбины в соответствии с предлагаемым изобретением, схематически представленной в целом на фиг 1, - Фиг 4 схематически показывает последовательность этапов изготовления лопасти, показанной на фиг 3 На фиг 1 и 2 схематически представлена воздушная турбина, содержащая несколько лопастей 1, равномерно расположенных вокруг втулки 2 между двумя фланцами 3 и 4 Эти различные конструктивные элементы данной воздушной турбины выполнены из терм о конструкционного композиционного материала, например, из углеродуглеродного композиционного материала (С-С) или из композиционного материала с керамической матрицей типа например, C-Si С (подкрепляющий элемент из волокон углерода и матрица из карбида кремния) Лопасти 1 ограничивают между собой проходы 5 для движения газообразной среды На одном из осевых концов данной воздушной турбины эти проходы 5 закрыты фланцем 3 кольцевой формы, который проходит от втулки 2 вплоть до наружного свободного края 6 лопастей 1 На другом осевом конце этой воздушной турбины фланец 4, имеющий практически кольцевую форму, проходит только на части длины упомянутых лопастей 1, начиная с их наружного свободного края 6 Свободное пространство между внутренним краем 7 фланца 4 и втулкой 2 определяет некоторую входную зону, откуда газообразная среда при вращении данной воздушной турбины может всасываться через проходы 5, с тем, чтобы быть отброшенной наружу на уровне внешнего венца турбины, как это схематически показано стрелками F на фиг 2 Теперь более подробно будет описан способ, при помощи которого изготавливаются и собираются в единое целое различные конструктивные элементы такой воздушной турбины в соответствии с предлагаемым изобретением Втулка 2 образована кольцевыми пластинами 8, которые набраны в пакет, уложенный вдоль оси А данной воздушной турбины Эти кольцевые пластины 8 имеют один и тот же внутренний диаметр, определяющий диаметр центрального отверстия втулки Для каждой кольцевой пластины 8 наружный диаметр постепенно возрастает, начиная от поверхности втулки, расположенной ближе всего к зоне входа газовой среды в турбину, и до ее противоположной поверхности, и находящиеся в кон такте друг с другом поверхности двух соседних пластин имеют один и тот же наружный диаметр таким образом, чтобы вся совокупность кольцевых пластин 8 образовывала втулку, толщина которой возрастает по определенному закону между фланцем 4 и фланцем 3, причем возрастает плавно и монотонно По периметру втулки 2 выполнены канавки 9, поперечное сечение которых имеет форму ласточкиного хвоста Эти канавки предназначены для того, чтобы вставлять в них основания лопастей 1 и обеспечить, таким образом, соединение этих лопастей со втулкой,